Post on 11-Jan-2017
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
1. 2.
3.
4.
5. 6.
ANALIZA WYBRANYCH UKŁADÓW RÓWNOWAGI FAZOWEJ .................2 IDENTYFIKACJA WYBRANYCH CERAMICZNYCH I KOMPOZYTOWYCH MATERIAŁÓW NARZ�DZIOWYCH SKRAWAJ�CYCH.....................................4 BADANIA STRUKTURALNE, ILO�CIOWA ANALIZA MIKROSTRUKTURY NARZ�DZIOWYCH MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH....................................7 POMIAR TWARDO�CI I ODPORNO�CI NA KRUCHE P�KANIE WYBRANYCH CERAMICZNYCH MATERIAŁÓW NARZ�DZIOWYCH PRZEZNACZONYCH NA OSTRZA SKRAWAJ�CE.........................................10 CHARAKTERYSTYKA ZIAREN �CIERNYCH WYBRANYCH CERAMICZNYCH MATERIAŁÓW �CIERNYCH ............................................17 NARZ�DZIA �CIERNE: SPOJONE I NASYPOWE.......................................19
Opracowała: dr in�. Aneta Szewczyk Nykiel Kraków 2004
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
2
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
�wiczenie 1
ANALIZA WYBRANYCH UKŁ ADÓW RÓWNOWAGI FAZOWEJ
Cel �wiczenia Zapoznanie si� z podwójnymi i pseudopodwójnymi układami równowagi
fazowej, w obr�bie których wytwarzane s� ceramiczne materiały narz�dziowe oraz materiały narz�dziowe na osnowie fazy wi���cej (w�gliki spiekane i cermetale narz�dziowe).
Zakres wymaganych wiadomo�ci
Ceramiczne materiały narz�dziowe – ogólna charakterystyka, zastosowanie. Materiały narz�dziowe na osnowie fazy wi���cej: w�gliki spiekane i cermetale narz�dziowe – zastosowanie. Wpływ tlenkowych dodatków technologicznych oraz dodatków modyfikuj�cych na przebieg procesu spiekania i wła�ciwo�ci u�ytkowe spieków Al2O3. Interpretacja jednoskładnikowych (zakresy trwało�ci odmian polimorficznych SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2) i dwuskładnikowych układów równowagi fazowej.
Materiały i urz�dzenia
Zestawy układów równowagi fazowej.
Przebieg �wiczenia
1. Zapozna� si� z otrzymanym zestawem wybranych podwójnych i pseudopodwójnych układów równowagi fazowej. Ka�dy zestaw zawiera 3 układy równowagi fazowej, po jednym z ka�dej z nast�puj�cych grup: a) tlenek glinu (Al2O3) - wybrany tlenek, b) tlenek – tlenek, c) w�giel, azot – metal przej�ciowy (wyj�tek stanowi bor i krzem). 2. Przeprowadzi� analiz� ka�dego z otrzymanych układów. 3. Opisa� otrzymane układy. 4. Na podstawie analizy układów: a) okre�li� fazy i ewentualne eutektyki wyst�puj�ce w obr�bie danego układu, b) poda� temperatury topnienia poszczególnych faz i eutektyk. Dodatkowo dla układu Al2O3 - wybrany tlenek: a) okre�li� przybli�one temperatury spiekania dla nast�puj�cych składów chemicznych: Al2O3 + 5 % oraz Al2O3 + 10 % udziału wybranego tlenku, b) przedstawi� przypuszczalny wpływ dodatku tego tlenku na przebieg procesu spiekania i własno�ci spieku Al2O3. 5. Przedstawi� przykłady zastosowania materiałów opartych na otrzymanych podwójnych i pseudopodwójnych układach równowagi fazowej. 6. Wymieni� inne układy podwójne i pseudopodwójne, w obr�bie których wytwarzane s� narz�dzia ceramiczne, cermetale narz�dziowe czy te� materiały kompozytowe i supertwarde. Poda� przykłady ich zastosowania.
Wytyczne do opracowania sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawiera�: 1. opisane podwójne i pseudopodwójne układy równowagi fazowej, 2. odpowiedzi na punkty 4 – 6 zawarte w cz��ci „Przebieg �wiczenia”.
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
3
Literatura: Notatki z wykładów z przedmiotów: „Ceramika narz�dziowa”, „Tworzywa ceramiczne i kompozyty” T. Gibas: „Korund i jego zastosowanie w technice” T. Gibas: „Spieki ceramiczne i cermetale” S. Stolarz: „Wysokotopliwe zwi�zki i fazy”
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
4
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
�wiczenie 2
IDENTYFIKACJA WYBRANYCH CERAMICZNYCH I KOMPOZYTOWYCH
MATERIAŁ ÓW NARZ�DZIOWYCH SKRAWAJ�CYCH
Cel �wiczenia Opanowanie umiej�tno�ci okre�lania rodzaju wybranych niemetalowych materiałów narz�dziowych z punktu widzenia cech zewn�trznych i wła�ciwo�ci fizycznych tworzywa. Zapoznanie si� z metod� pomiaru g�sto�ci pozornej materiałów ceramicznych.
Zakres wymaganych wiadomo�ci
Materiały narz�dziowe na osnowie fazy wi���cej: w�gliki spiekane i cermetale narz�dziowe – ogólna charakterystyka, wła�ciwo�ci, zastosowanie. Ceramiczne materiały narz�dziowe – ogólna charakterystyka, wła�ciwo�ci, zastosowanie. Wpływ dodatków technologicznych i modyfikuj�cych na przebieg procesu spiekania i wła�ciwo�ci u�ytkowe spieków Al2O3. Rodzaje powłok przeciwzu�yciowych nanoszonych na podło�e z w�glików spiekanych oraz cermetali narz�dziowych. Metodyka bada wła�ciwo�ci fizycznych ceramicznych materiałów narz�dziowych.
Materiały i urz�dzenia
Zestaw płytek narz�dziowych składaj�cy si� z dwóch grup: a) płytki narz�dziowe nie powlekane ceramiczne, z w�glików spiekanych i
cermetali narz�dziowych, b) płytki narz�dziowe z w�glików spiekanych i cermetali narz�dziowych z
powłokami przeciwzu�yciowymi. Rodzaje próbek udost�pnionych do zaj�� laboratoryjnych:
Al2O3 Al2O3 + TiC Al2O3 + ZrO2 Al2O3 + Cr2O3 Al2O3 + CoO Al2O3 + MgO
Al2O3 + TiC + TiN Al2O3 + TiC + TiN + ZrO2 B4C SiC Si3N4 + dodatki ułatwiaj�ce spiekanie
w�gliki spiekane, cermetale narz�dziowe TiC + TiN + Mo2C + Ni, w�gliki spiekane, cermetale narz�dziowe z powłokami: TiN, TiC, Ti(C,N), Al2O3, materiały supertwarde: Cd + Ti, cBN – TiC,
Elektroniczna waga analityczna z zestawem do pomiaru g�sto�ci na powietrzu i w wodzie z dokładno�ci� wa�enia do 0,001 g. Termometr z podziałk� 0,5°C. Tabela g�sto�ci wody (w zale�no�ci od temperatury pomiaru). Tablice, katalogi firmowe producentów narz�dzi skrawaj�cych.
Przebieg �wiczenia
1. Przeprowadzi� wizualn� obserwacj� wszystkich otrzymanych płytek narz�dziowych, bior�c pod uwag� ich zabarwienie, faktur�. Wyniki obserwacji
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
5
zamie�ci� w tabeli. Lp. (numer płytki) Zabarwienie Faktura Kształt (ewentualnie szkic)
2. Dla pierwszej grupy płytek narz�dziowych (niepowlekanych) wyznaczy� g�sto�� pozorn� z zastosowaniem metody hydrostatycznej. W tym celu nale�y zwa�y� na wadze analitycznej z dokładno�ci� do 0,001 g – otrzymujemy warto�� mS. Przed ka�dym pomiarem nale�y zwraca� uwag�, na to aby waga była wytarowana. Nast�pnie próbk� trzeba zwa�y� w wodzie destylowanej o znanej temperaturze. W tym celu próbk� nale�y umie�ci� w koszyczku zanurzonym w wodzie. Wa�y� z dokładno�ci� do 0,001 g. Uzyskujemy w ten sposób warto�� mW. Podczas pomiaru nale�y kontrolowa� temperatur� wody. Nast�pnie nale�y próbk� wyj�� z wody i po usuni�ciu nadmiaru wody z jej powierzchni niezwłocznie zwa�y�. Oznaczamy w ten sposób warto�� masy mN. G�sto�� pozorn� materiału próbki obliczy� według wzoru.
WN
WSV mm
dmd
−⋅=
gdzie: dW - g�sto�� wody w temperaturze pomiaru. Po dokonaniu odczytu temperatury wody, na podstawie tabeli okre�li� g�sto�� wody. Wyniki pomiarów g�sto�ci pozornej zestawi� w tabeli.
Lp. (numer płytki) mS [g] mN [g] mW [g] dW [g/cm3] dV [g/cm3]
3. Posługuj�c si� danymi zamieszczonymi w dost�pnych na zaj�ciach tablicach, katalogach firmowych producentów narz�dzi skrawaj�cych, zidentyfikowa� otrzymane materiały narz�dziowe i przyporz�dkowa� je do okre�lonej grupy materiałów narz�dziowych na podstawie ich g�sto�ci. Dodatkowo nale�y uwzgl�dni� zabarwienie płytek narz�dziowych. 4. Na podstawie ogólnych zasad systemu oznaczania materiałów i płytek narz�dziowych skrawaj�cych przeprowadzi� prób� oznaczenia otrzymanych zidentyfikowanych materiałów narz�dziowych. 5. Poda� zakres zastosowa zidentyfikowanych gatunków materiałów narz�dziowych, posługuj�c si� wykresami i danymi zamieszczonymi w katalogach firmowych oraz notatkami z wykładów. 6. Po dokonaniu wizualnej obserwacji płytek narz�dziowych z w�glików spiekanych i cermetali narz�dziowych powlekanych powłokami przeciwzu�yciowymi w przybli�eniu okre�li� rodzaj powłoki. W tym celu nale�y skorzysta� m.in. z katalogów firmowych producentów narz�dzi skrawaj�cych, notatek z wykładów. Nast�pnie okre�li� wpływ rodzaju powłoki przeciwzu�yciowej na wła�ciwo�ci u�ytkowe oraz zakres zastosowania materiałów narz�dziowych (stanowi�cych podło�e dla tej powłoki). 7. Dla wskazanej przez prowadz�cego zaj�cia płytki przedstawi� przypuszczalny proces technologiczny wytwarzania (po wcze�niejszym jej zidentyfikowaniu i oznaczeniu).
Wytyczne do Sprawozdanie powinno zawiera�:
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
6
opracowania sprawozdania
1. numer otrzymanego zestawu płytek narz�dziowych, 2. dla ka�dej płytki narz�dziowej niepowlekanej - opis kształtu (ewentualnie szkic), zabarwienia, faktury oraz wyniki pomiaru g�sto�ci pozornej materiału płytki (tabela), 3. dla ka�dej płytki narz�dziowej niepowlekanej odpowiedzi na punkty 3 – 5 zawarte w cz��ci „ Przebieg �wiczenia” , 4. dla ka�dej płytki narz�dziowej powlekanej - rodzaj powłoki przeciwzu�yciowej, wpływ rodzaju powłoki na wła�ciwo�ci u�ytkowe oraz zakres zastosowania materiałów narz�dziowych, 5. dla wskazanej płytki narz�dziowej – proces technologiczny wytwarzania (np. w formie schematu przedstawiaj�cego przebieg procesu wytwarzania).
Literatura: Notatki z wykładów z przedmiotów: „ Ceramika narz�dziowa” , „ Tworzywa ceramiczne i kompozyty” T. Gibas: „ Korund i jego zastosowanie w technice” T. Gibas: „ Spieki ceramiczne i cermetale” R. Pampuch: „ Budowa i wła�ciwo�ci materiałów ceramicznych” L. Przybylski: „ Współczesne ceramiczne materiały narz�dziowe” M. Wysiecki: „ Nowoczesne materiały narz�dziowe”
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
7
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
�wiczenie 3
BADANIA STRUKTURALNE, ILO�CIOWA ANALIZA MIKROSTRUKTURY
NARZ�DZIOWYCH MATERIAŁ ÓW CERAMICZNYCH Cel �wiczenia Zapoznanie si� ze sposobem opisu mikrostruktury ceramicznych materiałów
narz�dziowych, cermetali narz�dziowych oraz w�glików spiekanych. Zapoznanie si� z metodami pomiaru parametrów charakteryzuj�cych mikrostruktur� materiałów ceramicznych na przykładzie wielko�ci ziaren. Oznaczenie wielko�ci ziaren w wybranych materiałach ceramicznych.
Zakres wymaganych wiadomo�ci
Materiały narz�dziowe na osnowie fazy wi���cej, ceramiczne materiały narz�dziowe – ogólna charakterystyka. Ceramografia materiałów ceramicznych (w stanie nietrawionym i po wytrawieniu). Podstawowe parametry ilo�ciowego opisu mikrostruktury materiałów ceramicznych. Metody oceny porowato�ci i ziarnisto�ci. Wady ci�gło�ci. Technika przygotowania zgładów.
Materiały i urz�dzenia
Fotografie mikrostruktury wykonane ze zgładów wybranych ceramicznych i cermetowych materiałów narz�dziowych: w stanie nietrawionym i po wytrawieniu. Linijka, papier milimetrowy, kwadraty pomiarowe.
Przebieg �wiczenia
1. Na podstawie fotografii zgładów oceni� jednorodno�� materiału pod wzgl�dem porowato�ci (rodzaju porowato�ci, kształtu, wielko�ci i sposobu rozmieszczenia porów, np. wzgl�dem ziaren). 2. Na podstawie fotografii zgładów opisa� mikrostruktur� badanych ceramicznych i cermetowych materiałów narz�dziowych (m.in. wyró�ni�, ewentualnie zidentyfikowa� wyst�puj�ce fazy, obecno�� jednej lub wi�cej faz, okre�li� wzajemne rozmieszczenie poszczególnych faz i porów wzgl�dem siebie, stan granic ziarn). Na podstawie mikrostruktury przeprowadzi� prób� okre�lenia rodzaju materiału. 3. Opieraj�c si� na fotografiach zgładów materiałów po wytrawieniu (o znanym powi�kszeniu), dokona� ilo�ciowego opisu mikrostruktury. Dla ka�dej z fotografii wchodz�cej w skład otrzymanego zestawu, a przedstawiaj�cej mikrostruktur� wybranych ceramicznych i cermetowych materiałów narz�dziowych, dokona� oceny ziarnisto�ci. W tym celu nale�y okre�li� wielko�� ziarna �redniego oraz znalezionych ziarn najmniejszych i najwi�kszych. Nale�y post�powa� według nast�puj�cego schematu: a) Poda� zakres wielko�ci ziarn, posługuj�c si� metod� Ryshkewitscha pomiaru rzeczywistej �rednicy pojedynczego ziarna:
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
8
rzeczywistej �rednicy pojedynczego ziarna:
ddD ⋅=⋅= 275,14π
.
Je�li w mikrostrukturze analizowanego materiale wyst�puje wi�cej ni� jedna faza, to nale�y poda� zakres wielko�ci w obr�bie poszczególnych faz. b) Okre�li� powtarzaj�cy si� kształt ziarn. c) Okre�li� wielko�� ziarna �redniego, posługuj�c si� nast�puj�cymi metodami:
• metoda Snyder – Graffa • metoda powierzchniowa Brucha, • metoda Jeffriesa (metoda zliczania ziaren).
Pomiar wielko�ci ziarna �redniego metod� Snyder – Graffa. Przez płaszczyzn� zgładu prowadzi si� przypadkowo zorientowan� prost� (sieczn�), która na długo�ci pomiarowej L przecina n ziaren analizowanej fazy. Ocena wielko�ci ziarna polega na zliczeniu ziarn przeci�tych przez sieczn� z tym, �e dwa ziarna kracowe nie przeci�te przez dany odcinek na całej długo�ci liczy si� jako jedno ziarno. Taki sposób post�powania powtarzamy kilka lub kilkana�cie razy (przynajmniej 5). Wyniki pomiarów zliczenia ziaren przeci�tych przez sieczne przedstawi� w tabeli. Numer siecznej Długo�� odcinka pomiarowego [µm] Ilo�� przeci�� ziaren
Iloraz ł�cznej rzeczywistej długo�ci siecznych L (uwzgl�dniaj�c powi�kszenie mikroskopu) przez ogóln� liczb� przeci�tych ziaren n daje �redni� wielko�� ziarna - zgodnie ze wzorem:
[ ]mnL
D µ= .
Pomiar �redniej liczby ziaren na jednostk� powierzchni metod� Jeffriesa. Na fotografi� przedstawiaj�c� obraz mikrostruktury analizowanego materiału nale�y przyło�y� kwadrat pomiarowy o znanej powierzchni A w mm2 (po uwzgl�dnieniu powi�kszenia obrazu) a nast�pnie okre�li� liczb� ziaren le��cych całkowicie wewn�trz kwadratu NW oraz liczb� ziaren przeci�tych przez brzegi kwadratu Nb bez czterech ziarn naro�nych. Całkowita liczba ziaren NT na powierzchni kwadratu pomiarowego równa si�: NT = Nw + 0,5 ⋅ Nb + 1. �redni� liczb� ziaren na jednostk� powierzchni NA nale�y wyliczy� korzystaj�c ze wzoru:
[ ]2−= mmA
NN T
A .
Pomiaru nale�y dokona� w kilku (przynajmniej 3) polach równomiernie rozło�onych na powierzchni zgładu. Wyniki pomiarów nale�y przedstawi� w tabeli.
Nr pomiaru Powi�kszenie A
[mm2] NW Nb NT NA [mm-2]
Pomiar �redniej �rednicy ziarna płaskiego metod� powierzchniow� Brucha. Na fotografi� przedstawiaj�c� obraz mikrostruktury analizowanego materiału
µ 2
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
9
nale�y przyło�y� kwadrat pomiarowy o znanej powierzchni A w µm2 (po uwzgl�dnieniu powi�kszenia obrazu) a nast�pnie okre�li� całkowit� liczb� ziaren i na powierzchni kwadratu pomiarowego (sposób post�powania przy zliczaniu ziaren w kwadracie pomiarowym taki sam jak w metodzie Jeffriesa). Wyliczy� �redni� wielko�� ziarna zgodnie ze wzorem:
[ ]miA
d µ⋅= 06,1 .
Wykona� kilka pomiarów (przynajmniej 3) w ró�nych miejscach przygotowanej fotografii zgładu. Wyniki pomiarów nale�y przedstawi� w tabeli.
Nr pomiaru Powi�kszenie A [µm2] i d [µm]
Wytyczne do opracowania sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawiera�: 1. opis techniki przygotowania zgładów do bada mikrostrukturalnych, 2. numer zestawu fotografii przedstawiaj�cych mikrostruktury wybranych ceramicznych i cermetowych materiałów narz�dziowych, 3. dla ka�dej fotografii mikrostruktury analizowanego materiału ocen� jednorodno�ci, opis struktury (według wskazówek zamieszczonym w punkcie 2 cz��ci „ Przebieg �wiczenia” ), rodzaj materiału, ocen� ziarnisto�ci materiału (zgodnie ze schematem post�powania zamieszczonym w punkcie 3 cz��ci „ Przebieg �wiczenia” ), powtarzaj�cy si� kształt ziaren. 3. zbiorcze zestawienie wyników pomiaru ziarnisto�ci wybranych ceramicznych i cermetowych materiałów narz�dziowych nale�y przedstawi� w tabeli.
Nr fotografii
Zakres wielko�ci ziaren [µm]
d [µm]
NA [mm-2]
D [µm]
Kształt ziaren
Literatura: Notatki z wykładów z przedmiotów: „ Ceramika narz�dziowa” , „ Tworzywa ceramiczne i kompozyty” T. Gibas: „ Korund i jego zastosowanie w technice” R. Pampuch: „ Budowa i wła�ciwo�ci materiałów ceramicznych” J. Ry�: „ Stereologia materiałów”
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
10
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
�wiczenie 4
POMIAR TWARDO�CI I ODPORNO�CI NA KRUCHE P�KANIE WYBRANYCH CERAMICZNYCH MATERIAŁ ÓW NARZ�DZIOWYCH PRZEZNACZONYCH NA
OSTRZA SKRAWAJ�CE
Cel �wiczenia Zapoznanie si� z technik� pomiaru twardo�ci i odporno�ci na kruche p�kanie ceramicznych materiałów. Wyznaczenie twardo�ci Vickersa wybranych ceramicznych materiałów narz�dziowych. Wyznaczenie dla wybranych ceramicznych materiałów narz�dziowych odporno�ci na kruche p�kanie (KIC) metod� bezpo�redniego pomiaru długo�ci sp�ka wywołanych wciskaniem wgł�bnika Vickersa. Porównanie twardo�ci i odporno�ci na kruche p�kanie ceramicznych materiałów narz�dziowych. Przeanalizowanie zwi�zków mi�dzy twardo�ci� a budow� materiału oraz innymi wła�ciwo�ciami mechanicznymi (np. granica plastyczno�ci, odporno�� na kruche p�kanie).
Zakres wymaganych wiadomo�ci
Metodyka bada wła�ciwo�ci mechanicznych ceramicznych materiałów narz�dziowych. Ceramiczne materiały narz�dziowe –ogólna charakterystyka, wła�ciwo�ci. Materiały narz�dziowe na osnowie fazy wi���cej – ogólna charakterystyka, wła�ciwo�ci. Przygotowanie próbek do bada twardo�ci i KIC.
Materiały i urz�dzenia
Zgłady wybranych ceramicznych materiałów narz�dziowych. Fotografie przedstawiaj�ce odciski Vickersa i Knoopa. Tablica: Twardo��, odporno�� na kruche p�kanie i inne wła�ciwo�ci mechaniczne wybranych materiałów. Tablice twardo�ci Vickersa i Knoopa - S. Bła�ewski, J. Mikoszewski: „ Pomiary twardo�ci metali” . Mikrotwardo�ciomierz cyfrowy FM 700e. Mikrotwardo�ciomierz umo�liwia wykonanie pomiarów twardo�ci badanych materiałów metod� Vickersa i Knoopa. Dla metody Vickersa zakres obci��e wgł�bnika wynosi: 0,09807 0,2452; 0,4903; 0,9807; 1,961; 2,942; 4,903; 9,807 N, czyli odpowiednio: 0,010; 0,025; 0,050; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1 kG. Wygl�d i budow� mikrotwardo�ciomierza cyfrowego FM 700e przedstawia rysunek 1.
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
11
Rys. 1 Mikrotwardo�ciomierz cyfrowy FM 700e Główny ekran operacyjny panelu ciekłokrystalicznego LDC przedstawia
rysunek 2. Opis: 1 – aktualny tryb działania, 2 – zmiana strony ekranu operacyjnego, 3 – wy�wietlanie długo�ci przek�tnych: D1, D2, 4 – aktualnie ustawione obci��enie (wy�wietlana warto�� automatycznie zmieni si� po wybraniu innego obci��enia przez obrót pokr�tła regulacji obci��enia (14)), 5 – czas działania obci��enia, 6 – aktualna metoda pomiaru (przez naci�ni�cie tego okienka mo�na wybra� metod�: HV, HK), 7 – warto�� twardo�ci, 9 – jednostka konwersji twardo�ci, 10 – przeliczona warto�� twardo�ci,
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
12
11 – liczba wyników pomiaru w pami�ci urz�dzenia / maksymalna liczba wyników, jaka mo�e by� wprowadzona do pami�ci, 12 – uruchomieni procesu pomiaru, 13 – zerowanie linii pomiarowych, 14 – kasowanie pami�ci, 15 – ustawienie jasno�ci pola, 16 – obrót głowicy.
Rys. 2 Ekran operacyjny panelu ciekłokrystalicznego LDC
Przebieg �wiczenia
I. Okre�li� warunki przygotowania próbki do pomiaru twardo�ci metod� Vickersa (lub Knoopa) i odporno�ci na kruche p�kanie (KIC). II. Na podstawie fotografii nr 1 wyznaczy� twardo�� metod� Vickersa i Knoopa. 1. Warto�� twardo�ci Vickersa obliczamy korzystaj�c z podanego poni�ej wzoru lub odczytujemy bezpo�rednio z tablic twardo�ci Vickersa zamieszczonych w ksi��ce S. Bła�ewski, J. Mikoszewski: „ Pomiary twardo�ci metali” (tablice VI – XIII, str. 384 – 427).
21891,0dP
HV ⋅= , 2
21 ddd
+=
W tym celu nale�y dokona� pomiaru długo�ci przek�tnych odcisku (dwie warto�ci dla ka�dego pomiaru). Wyniki pomiarów i oblicze twardo�ci Vickersa zestawi� w tabeli.
Nr pomiaru Powi�kszenie d1 [µm] d2 [µm] d [µm] P [N] HV [GPa]
2. Warto�� twardo�ci Knoopa obliczamy korzystaj�c z podanego poni�ej wzoru:
2228,14lP
HK =
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
13
Wyniki pomiarów i oblicze twardo�ci Knoopa zestawi� w tabeli. Nr pomiaru Powi�kszenie l [mm] P [kG] HK [kG/mm2]
W tablicy XIV zamieszczonej w ksi��ce S. Bła�ewski, J. Mikoszewski: „ Pomiary twardo�ci metali” podano warto�ci twardo�ci Knoopa dla obci��enia 1 kG w zale�no�ci od długo�ci wi�kszej przek�tnej odcisku. Tabele t� mo�na stosowa� dla obci��e ró�nych od 1 kG, w tym celu warto�ci twardo�ci z tablicy odczytane dla zmierzonej przek�tnej odcisku nale�y pomno�y� przez obci��enie wyra�one w kG. 3. Dokona� porównania otrzymanych wyników twardo�ci Vickersa i Knoopa. III. Na podstawie fotografii nr 2 i 3 wyznaczy� twardo�� metod� Vickersa i odporno�� na kruche p�kanie (KIC) metod� bezpo�redniego pomiaru długo�ci sp�ka wywołanych wciskaniem wgł�bnika Vickersa. 1. Warto�� KIC obliczy� wg podanego wzoru:
( )
[ ]����
���
�� �� � ⋅
⋅⋅=
βπ �
�
gdzie:
)2
(21
ld
b +⋅= ,
44321 llll
l+++= ,
β = 68°. Dokona� pomiaru długo�ci przek�tnych odcisku (dwie warto�ci dla ka�dego pomiaru) i długo�ci sp�ka (cztery warto�ci dla ka�dego pomiaru). Obliczy� warto�� b. Wyniki pomiarów i oblicze twardo�ci Vickersa i odporno�ci na kruche p�kanie (KIC) zestawi� w tabeli.
Nr pomiaru Powi�kszenie
d1 [µm]
d2 [µm]
d [µm]
P [N]
HV [GPa]
l [µm]
b [µm]
KIC [MPa⋅m0,5]
2. Obliczy� współczynnik krucho�ci Ib z podanego wzoru :
[ ]5,0−= mKHV
IIC
b µ .
3. Okre�li� progow� sił� nacisku wgł�bnika P*, po przekroczeniu której nast�puje p�kanie.
[ ]NHVK
KP ICIC
34106,1 �
�
���
�⋅⋅⋅=∗ .
l1
d1 (lub d2)
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
14
Wszystkie otrzymane wyniki pomiarów i oblicze zestawi� w tabeli.
Nr pomiaru Powi�kszenie P
[N] HV
[GPa] KIC
[MPa⋅m0,5] Ib
[µm-0,5] P* [N]
IV. Dla wybranych materiałów ceramicznych dokona� pomiaru twardo�ci metod� Vickersa i odporno�ci na kruche p�kanie (KIC) metod� bezpo�redniego pomiaru długo�ci sp�ka wywołanych wciskaniem wgł�bnika Vickersa. Wykona� po jednym pomiarze dla ka�dego materiału.
Pomiar twardo�ci mikrotwardo�ciomierzem cyfrowym.
Ustawienie warunków pomiaru: 1. wybór obci��enia. Obróci� pokr�tło regulacji obci��enia (14) w poło�enie, odpowiadaj�ce ��danej wielko�ci obci��enia. 2. ustawienie czasu działania obci��enia na panelu ciekłokrystalicznym LDC. Według normy przyjmuje si� czas 10-15 sekund. Wykonanie pomiaru twardo�ci Vickersa: 1. Umie�ci� próbk� na stoliku X-Y (18). Próbk� nale�y precyzyjnie umie�ci� w uchwycie imadłowym, tak aby była nieruchoma podczas pomiaru. 2. Obraca� powoli pokr�tłem podnoszenia stolika do momentu uzyskania ostrego obrazu próbki (obiektyw x10). Dla ustawienia ostro�ci przybli�y� powierzchni� próbki do obiektywu x50, nast�pnie patrz�c przez okular (4) mikroskopu pomiarowego (2) obni�a� poło�enie próbki a� b�dzie widoczny ostry obraz. UWAGA! Podczas podnoszenia stolika nale�y uwa�a�, aby próbka nie uderzyła w obiektyw, co mogłoby spowodowa� uszkodzenie obiektywu. 3. Wybra� punkt na powierzchni próbki, w którym b�dzie wykonany pomiar. 4. Obróci� r�ka głowic� (6) tak, aby wgł�bnik był w �rodkowym poło�eniu. 5. Uruchomi� wykonanie odcisku naciskaj�c przeł�cznik START ekranu operacyjnego panelu ciekłokrystalicznego (12). Diamentowy wgł�bnik b�dzie automatycznie opuszczony w dół i wciskany w próbk� z zadanym obci��eniem w zadanym czasie, zgodnie z ustawieniami warunków pomiaru. Nast�pnie wgł�bnik zostanie odci��ony i wróci do pozycji wyj�ciowej. Podczas tej operacji przeł�cznik START b�dzie miga�. 6. R�cznie obróci� głowic� (6) do poło�enia obiektyw x50 (7) i spojrze� przez okular (4). W centralnym punkcie pola widzenia widoczny b�dzie odcisk na powierzchni próbki. Przed rozpocz�ciem pomiaru odcisku mo�e zaistnie� potrzeba wyzerowania ustawienia linii pomiarowych.
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
15
Obracaj�c czytnikiem obrotowym (5) mikroskopu pomiarowego (2), zbli�y� obie linie do siebie a� do zetkni�cia si� ich wewn�trznych kraw�dzi. Je�li w okienku ekranu (3) wy�wietlana jest warto��: D1 0,0 µm D2 0,0 µm to nie ma potrzeby zerowania ustawienia linii pomiarowych. W przeciwnym przypadku nacisn�� przycisk SET (13) celem wyzerowania ustawienia linii pomiarowych.
7. Dokona� pomiaru długo�ci przek�tnych odcisku w sposób nast�puj�cy: a) Pomiar wymiaru D1. Obróci� lewe pokr�tło (3) mikroskopu pomiarowego (2) tak, aby wewn�trzna kraw�d lewej linii pomiarowej dotykała lewej kraw�dzi odcisku.
Obróci� czytnik obrotowy (5) tak, aby wewn�trzna kraw�d prawej linii pomiarowej dotykała prawej kraw�dzi odcisku.
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
16
Nacisn�� przycisk odczytu READ, po czym w okienku D1 (3) na ekranie pojawi si� wymiar przek�tnej D1 z dokładno�ci� do 0,1 µm. b) Pomiar wymiaru D2. Obróci� mikroskop pomiarowy (2) o 90 stopni celem zmierzenia wymiaru D2. Zastosowa� t� sam� procedur� pomiarow� co w podpunkcie a) (wewn�trzna kraw�d dolnej linii pomiarowej dotkn�ła dolnej kraw�dzi odcisku a wewn�trzna kraw�d górnej linii pomiarowej dotykała górnej kraw�dzi odcisku). Nacisn�� przycisk odczytu READ, po czym w okienku D2 (3) na ekranie pojawi si� wymiar przek�tnej D2 z dokładno�ci� do 0,1 µm. Procesor urz�dzenia oblicza warto�� �redni� wymiarów D1 i D2, a nast�pnie oblicza warto�� twardo�ci Vickersa i pokazuje j� automatycznie na ekranie. Wyniki pomiarów i oblicze twardo�ci Vickersa i odporno�ci na kruche p�kanie (KIC) dla wybranych materiałów zestawi� w tabeli. Dodatkowo dla tych materiałów obliczy� współczynnik krucho�ci Ib oraz progow� sił� nacisku wgł�bnika P*.
Nr pomiaru
d1 [µm]
d2 [µm]
d [µm]
P [N]
HV [GPa]
b [µm]
KIC [MPa⋅m0,5]
Ib [µm-0,5]
P* [N]
Wytyczne do opracowania sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawiera�: 1. tabelaryczne zestawienia wszystkich wyników pomiarów i oblicze badanych wielko�ci (wykonanych w punktach II, II i IV cz��ci „ Przebieg �wiczenia” ). Dodatkowo nale�y poda� przykładowe obliczenia poszczególnych wielko�ci i przeliczenie jednostek. 2. wnioski wynikaj�ce z analizy otrzymanych wyników.
Literatura: Polska norma PN-91/H-04360 – Pomiar twardo�ci sposobem Vickersa od HV 0,2 do HV 100 Notatki z wykładów z przedmiotów: „ Ceramika narz�dziowa” , „ Tworzywa ceramiczne i kompozyty” S. Bła�ewski, J. Mikoszewski: „ Pomiary twardo�ci metali” T. Gibas: „ Korund i jego zastosowanie w technice” K. Oczo�: „ Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych” R. Pampuch: „ Materiały ceramiczne” M. Wysiecki: „ Nowoczesne materiały narz�dziowe”
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
17
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
�wiczenie 5
CHARAKTERYSTYKA ZIAREN �CIERNYCH WYBRANYCH CERAMICZNYCH
MATERIAŁ ÓW �CIERNYCH
Cel �wiczenia Zapoznanie si� z podstawowymi rodzajami materiałów �ciernych pochodzenia naturalnego i sztucznego. Przedstawienie charakterystyki ziaren �ciernych typowych ceramicznych materiałów �ciernych (twardych i supertwardych) przeznaczonych do wyrobu narz�dzi �ciernych, jak i do obróbki lunym �cierniwem. Zapoznanie si� z klasyfikacj� wymiarow� ziarna �ciernego do narz�dzi �ciernych spojonych i nasypowych. Przedstawienie mo�liwo�ci zastosowania badanych materiałów �ciernych.
Zakres wymaganych wiadomo�ci
Materiały �cierne: naturalne, sztuczne – ogólna charakterystyka. Wielko��, kształt ziaren �ciernych – metodyka bada.
Materiały i urz�dzenia
Mikroskop stereoskopowy (okular pomiarowy z podziałk�). Tabela – klasyfikacja wymiarowa ziaren �ciernych. Rysunek – klasyfikacja kształtowa ziaren �ciernych. Preparaty mikroskopowe ziaren ró�nych materiałów �ciernych. Rodzaje materiałów �ciernych udost�pnionych do zaj�� laboratoryjnych:
Diament syntetyczny (Cd) Borazon (CBN) B4C SiC zielony SiC czarny Elektrokorund zwykły Elektrokorund szlachetny
Kwarc Krzemie Szmergiel
Przebieg �wiczenia
1. Dokona� wyboru kilkunastu preparatów mikroskopowych ziaren �ciernych (co najmniej 10) ró�nych pod wzgl�dem rodzaju materiału �ciernego oraz wielko�ci ziaren �ciernych. Przy czym w wybranym do obserwacji zestawie preparatów mikroskopowych musz� znale� si�: diament syntetyczny, w�glik krzemu zielony, w�glik krzemu czarny i elektrokorund szlachetny.
2. Dobra� odpowiednie powi�kszenie mikroskopu. Obiektyw Powi�kszenie całkowite 1 działka
7 56 15 µm 4 32 25 µm
3. Przeprowadzi� pod mikroskopem pod odpowiednim powi�kszeniem
obserwacj� ziaren �ciernych. 4. Dla ka�dego preparatu mikroskopowego ziaren �ciernych:
a) opisa� zabarwienie i stopie przeroczysto�ci materiału �ciernego, b) oceni� ostro�� kraw�dzi i naro�y pod k�tem przydatno�ci badanego materiału �ciernego do zastosowania do okre�lonego rodzaju obróbki wykaczaj�cej,
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
18
�ciernego do zastosowania do okre�lonego rodzaju obróbki wykaczaj�cej, c) dokona� pomiaru wielko�ci ziaren �ciernych (w tym celu nale�y
przeprowadzi� co najmniej 10 pomiarów wymiaru charakterystycznego ziarna a), okre�li� zakres wielko�ci ziaren �ciernych,
d) okre�li� przybli�ony procentowy skład ziarnowy preparatu, e) zaszeregowa� do odpowiedniego numeru wg klasyfikacji wymiarowej ziaren �ciernych wg PN - 76/M-59107,
f) na podstawie kryteriów klasyfikacji kształtowej okre�li� kształt ziaren �ciernych (w przypadku wyst�powania wi�cej ni� jednego kształtu okre�li� w przybli�eniu % udziału ka�dego kształtu ziaren w preparacie),
g) zgodnie z ilo�ciow� metod� oceny kształtu ziarna �ciernego poda�
współczynnik kształtu ziarna, okre�lony zale�no�ci�: nal
k
n
i i
i
i
�== 1
)( .
5. Dla ka�dego badanego rodzaju materiału �ciernego okre�li� mo�liwo�ci jego zastosowania do obróbki wykaczaj�cej.
Wytyczne do opracowania sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawiera�: 1. nazwy wybranych przez studenta materiałów �ciernych (zgodnie z
wytycznymi zawartymi w punkcie 1 cz��ci „ Przebieg �wiczenia” ) oraz numery, je�li zostały podane razem z nazwami,
2. dla ka�dego wybranego materiału �ciernego pełn� charakterystyk� ziaren �ciernych (zgodnie z podpunktami a) ÷ g) zawartymi w punkcie 4 cz��ci „ Przebieg �wiczenia” ),
3. zakres zastosowania badanych materiałów �ciernych. Literatura: Notatki z wykładów z przedmiotów: „ Ceramika narz�dziowa” E. Jankowski, S. Skupiski: „ Materiały i wyroby �cierne” K. Woniak: „ Materiały �cierne – wytwarzanie i własno�ci”
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
19
LABORATORIUM Ceramika Narz�dziowa
�wiczenie 6
NARZ�DZIA �CIERNE: SPOJONE I NASYPOWE
Cel �wiczenia Zapoznanie si� z podstawowymi rodzajami narz�dzi �ciernych:
a) spojonych spoiwami ceramicznymi, �ywicznymi, gumowymi i metalowymi, b) nasypowych. Zapoznanie si� z budow� typowych narz�dzi �ciernych spojonych i nasypowych. Zapoznanie si� z systemem oznacze narz�dzi �ciernych. Przedstawienie mo�liwo�ci zastosowania badanych narz�dzi �ciernych.
Zakres wymaganych wiadomo�ci
Narz�dzia �cierne: spojone, nasypowe, pasty �cierne – ogólna charakterystyka. Rodzaje spoiw stosowanych do wytwarzania narz�dzi �ciernych spojonych i nasypowych. Rola spoiwa w narz�dziu �ciernym. Materiały �cierne: naturalne, sztuczne – ogólna charakterystyka. Charakterystyka narz�dzi �ciernych: twardo�� narz�dzia, struktura narz�dzia, wielko�� ziarna �ciernego, rodzaj i gatunek materiału �ciernego. Procesy wytwarzania narz�dzi �ciernych spojonych i nasypowych. �ciernice konwencjonalne, �ciernice supertwarde – ogólna charakterystyka, zastosowanie.
Materiały i urz�dzenia
Mikroskop stereoskopowy. Rodzaje narz�dzi �ciernych udost�pnionych do zaj�� laboratoryjnych:
papiery �cierne, płótna �cierne, osełki, �ciernice supertwarde: diamentowe, borazonowe, �ciernice konwencjonalne: płaskie zbrojone do przecinania, płaskie do szlifowania, garnkowe proste, garnkowe sto�kowe, lamelkowe,
Materiały do testowania własno�ci �ciernych narz�dzi �ciernych spojonych. Tabela – oznaczenia typów narz�dzi �ciernych spojonych: �ciernic konwencjonalnych, segmentów �ciernych i osełek �ciernych.
Przebieg �wiczenia
1. Spo�ród udost�pnionych na zaj�ciach narz�dzi �ciernych dokona� wyboru kilkunastu narz�dzi �ciernych (co najmniej 5 nasypowych i 5 spojonych). 2. Przeprowadzi� wizualn� obserwacj� okiem nieuzbrojonym a nast�pnie pod mikroskopem narz�dzi �ciernych nasypowych z punktu widzenia: a) rodzaju materiału �ciernego, b) rodzaju podło�a, c) rodzaju spoiwa, d) wielko�ci ziaren �ciernych. 2. Przeprowadzi� wizualn� obserwacj� narz�dzi �ciernych spojonych z punktu widzenia: a) rodzaju materiału �ciernego, b) rodzaju i obj�to�ci spoiwa, c) wielko�ci ziaren �ciernych,
LABORATORIUM - Ceramika Narz�dziowa
20
d) porowato�ci. 3. Przeprowadzi� test własno�ci �ciernych otrzymanych narz�dzi �ciernych spojonych z punktu widzenia łatwo�ci zarysowania płytek: a) stalowych, b) miedzianych, c) spieku ceramicznego, d) szkła, e) w�glika spiekanego. 4. Oceni� przydatno�� badanego narz�dzia �ciernego do obróbki testowanych materiałów.
Wytyczne do opracowania sprawozdania
Sprawozdanie powinno zawiera�: 1. charakterystyk� narz�dzi �ciernych nasypowych uwzgl�dniaj�c� opis rodzaju
materiału �ciernego, rodzaju podło�a, rodzaju spoiwa oraz wielko�ci ziaren �ciernych,
2. charakterystyk� narz�dzi �ciernych spojonych uwzgl�dniaj�c� opis rodzaju materiału �ciernego, rodzaju i obj�to�ci spoiwa, wielko�ci ziaren �ciernych oraz porowato�ci, dodatkowo nale�y poda� oznaczenie narz�dzia,
3. wnioski wynikaj�ce z przeprowadzonego testu własno�ci �ciernych wybranych narz�dzi �ciernych spojonych,
4. zakres zastosowania badanych narz�dzi �ciernych. Literatura: Notatki z wykładów z przedmiotów: „ Ceramika narz�dziowa” E. Jankowski, S. Skupiski: „ Materiały i wyroby �cierne” K. Woniak: „ Materiały �cierne – wytwarzanie i własno�ci”